Szakaszos folyamatok h®integrációjának szakiro- szakiro-dalma

A h®cserél® hálózatok szintézise (Heat Exchanger Network Synthesis, HENS) során a h®cserél® berendezések egy olyan hálózatának (Heat Exchanger Network, HEN) a tervezése a cél, mely optimálisan kielégíti a termelési rendszerben fellép® h¶tési és f¶tési igényeket. A h¶tési és f¶tési igények kielégíthet®ek a rendszerbe kívülr®l beho-zott energiával (pl. h¶t®torony vagy forró g®z). A költségek csökkentése érdekében azonban a meglév® f¶tési és h¶tési igényeket, mint h®elvonási lehet®ségeket és h®for-rásokat kiaknázva, a felhasznált küls® energia mennyisége és így a termelési rendszer költsége is csökkenthet®. Az optimális HEN meghatározásához gyelembe kell venni a h®cserél® egységek költségeit. A HENS feladatok általában nagy méret¶, össze-tett, kombinatorikus jelleg¶ feladatok. A h®cserél® hálózat magas költsége miatt az optimális HEN megtalálása fontos feladat.

A h®cserél® hálózat egy olyan a termel® folyamatba integrált folytonos alrendszer melyben egyes folyamok h®mérsékletét növelni, másokét pedig csökkenteni kell. Az el®bbieket hidegáramoknak (kezdeti h®mérsékletük alacsonyabb, mint a végs®), az utóbbiakat melegáramoknak nevezzük. A meleg- és hidegáramokat közösen h®ára-moknak nevezzük. Ha a h®áram fajh®je (fajlagos h®kapacitása) c, akkor m tömeg¶

anyag h®mérsékletének ∆T-vel való megváltoztatásához ∆Q =cm∆T energiára van szükség. Folytonos rendszer esetén a képletben a tömeg helyett a folyam nagyságát

azt mondja, hogy a h®áramlás iránya a melegebb helyr®l a hidegebb hely felé mu-tat. A h®cserél® hálózatok tervezésénél a második törvény alapján a cél a h®áramok többszöri felhasználása egészen addig, míg a törvény ezt megengedi.

Melegenergia szolgáltatónak (hot utility) azokat a gyártórendszeren kívüli eszközö-ket nevezzük melyek h®t juttatnak a rendszerbe a megfelel® h®igények kielégítésére.

A hidegenergia szolgáltató (cold utility) a gyártási rendszerben jelen lev®, fel nem használható h®t vonja ki. Melegenergia szolgáltatóként használhatunk g®zt, melyet bojlerekb®l, vagy megcsapolt turbinákból nyerhetünk. Hidegenergia szolgáltatóként vizet, vagy hideg leveg®t használhatunk.

A melegáramokat és a melegenergia szolgáltatókat h®forrásoknak, a hidegáramo-kat és hidegenergia szolgáltatóhidegáramo-kat h®nyel®knek hívjuk. Egy h®forrás és h®nyel® kö-zött a h®átadás h®cserél® berendezésen keresztül történik. A h®cserél® berendezések lehetnek egyenáramúak, vagy keresztáramúak a bennük folyó anyagáramok irányai alapján. A zikai kialakításuk alapján lehetnek kötegesek, lemezesek. A termodi-namika második f®tétele alapján akkor lehetséges h®csere, ha a h®forrás melegebb, mint a h®nyel®, azonban a gyakorlatban gazdaságossági szempontokból megkövetel-jük, hogy egy minimális, ∆Tmin h®mérséklet különbség legyen a h®forrás és a h®nyel®

között.

Linnho és Flower munkájukban összefoglalták a h®cserél® hálózatok szintézisére bevezetett eljárásokat, gyakorlati alkalmazhatóságuk szempontjából [46]. Megállapí-tották, hogy habár számos eljárást tettek közzé a szakirodalomban, azok nem, vagy nehezen alkalmazhatóak az iparban. A h®cserél® hálózatok tervezéséhez bevezették a pinch technológiát [47]. A pinch technológia egy grakus eszköz, melyben a kasz-kád diagrammon ábrázoljuk a rendszer összes h®áramát. A kaszkasz-kád diagramm a h®mérséklet entalpia diagrammon ábrázolja a meleg és hideg kompozit görbéket, és megadja a rendszer hideg- illetve melegenergia igényét és pinch h®mérsékletét. A

pinch vagy sz¶kületi h®mérséklet olyan h®mérséklet értéket jelent, amelyen keresz-tül nem történik h®csere egy minimális energia felhasználású h®cserél® hálózatban a pinch törvény alapján. A nagy kompozit görbe segítségével a tervez® meghatároz-hatja milyen szolgáltatókat használjon a h®cserél® hálózatban. A pinch technológiával kapott megoldás h®cserél® hálózat általában 5%-nál nem rosszabb a rendszer globá-lis optimumánál. Smith összefoglalta a h®cserél® hálózatok tervezésével kapcsolatos módszereket munkájában [90].

Rév és Fonyó, illetve Mizsey és Rév h®cserél® hálózatok tervezésére az eredeti pinch technológia helyett a pinch technológia egy általánosítását használják (diverse pinch concept) [57, 79]. A módszerrel már a tervezési fázisban gyelembe tudják venni az eltér® h®átadási tényez®ket, így olyan csapdákat is el tudnak kerülni, melyek korábban csak a megvalósításnál jelentkeztek.

A pinch technológia mellett a szállítási modelleket is széles körben használják h®cserél® hálózatok szintézisére. A szállítási modellek a kaszkád diagramm segítsé-gével határozzák meg a h®cseréket. H®mérséklet intervallumokat határoznak meg, melyeken a h®csere megtörténhet, a h®mérséklet intervallum maradék h®je az alatta lev® intervallumokba továbbítható [9, 15, 67]. Az algoritmikus módszerek fejl®désé-vel és a számítási teljesítmény növekedéséfejl®désé-vel egyre pontosabb, összetettebb feladatok megoldására nyílik lehet®ség.

A pinch technológián és a szállítási modellen kívül számos más modell létezik HENS feladatok megoldására. Lin és Miller tabu-keresés módszerével oldották meg a h®cserél® hálózat tervezési feladatot [6]. A tabu-keresés a sztochasztikus optimalizá-lási módszerek családjába tartozik, amely az úgynevezett tabu-listákat használ rövid és hosszú távú memóriaként. Legegyszer¶bb esetben egy megoldásból a szomszédos megoldások közül a legkedvez®bbe lép át, hacsak az nem szerepel a tabu listában.

A listát minden lépés után aktualizálja, általában felveszi az el®z® megoldást, illetve törli a legrégebbit. A tabu-keresés jól alkalmazható HENS feladatok megoldására, mert nagy valószín¶séggel megtalálja a globális optimumot, ugyanakkor kis számítási igényre van szüksége. Ravagnani és szerz®társai genetikus algoritmus segítségével ha-tározták meg a HENS feladat megoldását [78]. A megoldáshoz felhasználták a pinch analízist is. Módszerükben a minimális h®mérséklet különbség, a legtöbb eljárással

tét.

Majozi szakaszos termel® rendszer h®integrációjára egy folytonos MILP modellt dolgozott ki [48]. A modellt az SSN (State Sequence Network) ábrázolás alapján formalizálta. A modellben a maximális protot adó ütemezést keresi, gyelembe véve a h®integrációs részfeladat költségeit is.

Lee és Reklaitis periodikus, kampány módon m¶köd® szakaszos rendszer optimális h®integrációt is gyelembe vev® ütemezését adták meg munkájukban [42, 43]. Egy MILP modellel határozzák meg a minimális energiát használó ütemezést. H®cserét a rendszer anyagáramai között hozhatnak létre.

A h®integrációval a szakirodalomban els®sorban folytonos folyamatok kapcsán ta-lálkozhatunk, mert a h®integrációval foglalkozó módszerek feltételezik a rendszer ál-landósult állapotát, ami szakaszos rendszerekben nem teljesül. Ugyanakkor a sza-kaszos termel® struktúrák fontossága és a folyamatosan szigorodó környezetvédelmi szempontok megkövetelik, hogy a szakaszos termelési rendszerek emisszióját is csök-kentsük h®integrációval. Ehhez a h®integrációs módszerek szakaszos folyamatokra való kiterjesztésére van szükség.

Számos különböz® módszert találhatunk h®integrációs, vagy szakaszos ütemezési feladatok megoldására. Kemp módszerében a direkt h®csere helyett a h® tárolásával csökkenti a folyamatok összes h® fogyasztását [40]. Corominas és társai munkájában a több termékes szakaszos ütemezési feladat h® integrációját heurisztikus algoritmusok-kal oldja meg, mely algoritmusokalgoritmusok-kal a m¶veletek kezdési idejét úgy határozza meg, hogy energia megtakarításra nyíljon lehet®ség [16]. Ivanov kutatásaiban szakaszos reaktorok és h®cserél® hálózatok szintézisét integrálja [38].

6.1. táblázat. Szemléltet® példa receptje.

Taszk A termék B termék

Berendezés Id® (h) Berendezés Id® (h)

1 E2 8 E3 8

2 E1 4 E1 4

E4 11